一種沖壓成形中板材與模具相對滑動速度的檢測方法及傳感器的制作方法

專利名稱：一種沖壓成形中板材與模具相對滑動速度的檢測方法及傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種速度檢測領域，具體地，本發明涉及一種板材與模具相對滑動速 度的檢測方法及其使用的傳感器，更具體地，本發明涉及一種沖壓成形中板材與模具相對 滑動速度的檢測方法及傳感器。本發明的檢測方法及傳感器可用于檢測板材沖壓成形過程 中板材相對于模具表面滑動速度的方法。
背景技術：
在板材沖壓成形過程中，特別是在鋼板沖壓成形過程中，鋼板相對于模具的滑動 速度是影響摩擦和接觸狀態的重要參數，不同的滑動速度下鋼板與模具間的具有不同的摩 擦系數，并表現出不同的摩擦熱效應，從而影響鋼板的成形性能。因此，研究板料和模具之間的滑動速度大小具有重要意義，但目前關于沖壓成形 中滑動速度方面的研究還未見報道。目前，速度的檢測方法主要有接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量的本質是通過測量物體的位移來間接獲得物體移動的速度，其主要測 量手段有光柵尺、編碼器、平移測量等。接觸式測量方法采用機械結構，結構牢固，使用簡單 方便，但其分辨率較差，誤差較大。非接觸式測量可以分為直接式測量和間接式測量兩種方式。直接測量方法。直接式測量主要采用的是多普勒方法。這種測量方法基于多普勒 效應，直接通過測量儀器得到被測量值的測量結果。工業領域中應用最廣泛的是激光多普 勒方法，即用單束窄譜帶激光照明被測面，通過檢測反射激光的多普勒頻移度來測量被測 面的滑動速度。但該方法只可測量相對運動的大小，無法確定運動的方向，且對信號處理， 尤其是高速信號處理電路的要求較高。另外，直接式測量的測量效果較好，但其對系統要求 較高，且價格昂貴。間接測量方法。間接式測量方法主要有霍爾式測量法、激光干涉法、圖像測量法寸。霍爾式測量方法是基于霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出的一種測量方法，該 方法實際上是測量物體在磁場中的微位移。激光干涉法是利用光的干涉原理進行測量的一 種方法，常見的是采用邁克爾遜激光干涉儀。圖像測量法是利用光電器件的光電轉換功能， 將感光面上的光信號轉換成相應的電信號，進而進行物理量檢測的一種測量方法。上述非接觸式測量具有測量精度高、靜態和動態特性好、分辨率高、誤差小等優 點O如上所述，考慮到板材沖壓成形過程速度檢測的實際情況，激光多普勒式測量價 格昂貴、對系統要求較高。霍爾式傳感器基于電磁霍爾效應原理，在板材沖壓成形中無法 安裝永磁體，且無法進行任意方向的速度檢測。激光干涉法基于光的干涉原理，測量精度 較高，但易受環境因素的影響。圖像測量法基于圖像處理技術，結構簡單，精度較高，可以認為，圖像測量法是一種較為理想的測量方法。然而，經查閱現有技術，包括圖像測量法在內的上述方法，其檢測目的很多都是針 對車輛的移動速度進行檢測，沒有針對滑動速度的方法和傳感器；另外，以往檢測方法和安 裝方式均不適用于板材沖壓成形過程。

發明內容
為克服所述問題，本發明旨在提供一種板材與模具相對滑動速度的檢測方法及其 使用的傳感器，所述板材與模具相對滑動速度的檢測方法及其使用的傳感器，可以在板材 沖壓成形過程中實時、非接觸地測量滑動速度的方法及傳感器。本發明的方法可操作性強， 配合相應的試驗裝置，可用于測定板料沖壓變形時鋼板相對于模具的滑動速度大小，以滿 足科研和試驗的需要。本發明涉及的滑動速度檢測方法及傳感器特別適用于測量兩個接觸固體表面相 對滑動速度，傳感器以鑲嵌的方式安裝于一個固體內部，另一個固體不需要安裝任何器件。 同時，本發明采用基于圖像處理的微光學間接測量方法進行測量，尤其適用于其他的一個 固體表面無法安裝測量裝置的情形。本發明的板材與模具相對滑動速度的檢測方法的技術方案如下一種用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于，所述方法包括 下述步驟(1)由激光光源照明鋼板被測表面，在鋼板被測表面形成區域被測圖像，經透鏡成 像后由圖像傳感器接收，取得特征參量，即相鄰圖片反應平面的移動距離和速度的移動像 素數；(2)使鋼板相對于模具表面進行移動，圖像傳感器取得連續的變化圖案的圖像信 息，將該圖像信息輸出至信號處理器；(3)在上述信號處理器采用自相關圖像處理算法，將所述圖像信息的影像信號與 存儲的上一采樣周期得到的圖像影像進行對比分析并進行處理，即分析兩幅圖上同一個特 征的差別，也即特征區域的移動量，輸出位移信息，所述位移信息包括被測表面移動的方向 和位移大小；(4)基于定時、周期性的采集位移數據，通過主控單元，輸出滑動速度數據；(5)主控單元通過自適應優化模塊和相應的數字濾波算法，調整采集頻率，即速度 減慢時，降低采集頻率，反之提高采樣頻率，所述采集頻率的調整通過調整單片機采樣的定 時器的時長來實現；(比如1毫秒改為5毫秒。)，提高采集精度控制在需求范圍之內；(6)采用標定器對所獲得的滑動速度值數據進行標定，即將采集得到的沒有單位 的數字量和采用標定裝置得到的實際速度值對應起來，得到有單位的、具有實際意義的滑 動速度值與滑動速度數據的轉換函數，所述轉換函數采用下述一次擬合函數進行擬合y = ax+b,其中，y為最終輸出值，χ為測量值，a和b為待定參數，由最小二乘法擬合得到，a 為0-1的范圍，b為-100-100范圍的整數；(7)在待測模具上安裝滑動速度檢測傳感器，即可獲得板材和模具之間的實際相 對滑動速度。
上式中，a, b采用最小二乘法擬合可以得到，比如采集得到1000個數據點(包括 1000個χ值和1000個y值)，以χ值為橫坐標，y值為縱坐標可以畫出一條直線，對這條直 線用y = ax+b進行線性回歸，就可以得到a和b的值。一般a為0-1的范圍，b為整數，可以為正，也可以為負，常用范圍為-100-100。如本發明所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于，所 述提高采集精度控制在需求范圍之內，系將測量得到的速度與真實速度之間的誤差控制在 5%以下。如本發明所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于，所 述主控單元包括電信連接的通訊模塊、存儲模塊、自適應優化模塊及定時模塊，所述定時模 塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由存儲模塊進行儲存，自適應 優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期。如本發明所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于，所 述自適應優化模塊根據當前采集的數據信息，采用自適應算法實時優化和改變采集頻率， 以提高滑動速度的檢測精度。滑動速度測量方法如圖3所示。本發明又提供一種用于對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器。一種用于對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，所述檢測用傳感 器包括主控單元(MCU)、與主控單元(MOT)電信連接的激光位移探測單元，其特征在于，所述主控單元(MCU)包括電信連接的通訊模塊、存儲模塊、自適應優化模塊及定 時模塊，所述定時模塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由存儲模 塊進行儲存，自適應優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期；所述激光位移探測單元包括包括依次電信連接的光學組件7，激光光源8，圖像傳 感器9，數字信號處理器10，通訊模塊11。如本發明所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征在 于，所述激光位移探測單元采用微光學圖像處理技術獲取物體表面位移的大小和方向。如本發明所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征在 于，所述主控單元負責對激光位移探測單元進行控制，并對采集到的數據進行處理，獲取滑 動速度的大小和方向，并進行輸出。如本發明所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征在 于，自適應優化模塊用于解決滑動速度變化時采集頻率和周期的實時優化，以提高滑動速 度采集精度。如本發明所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征在 于，所述檢測用傳感器具有封裝外殼，所述封裝外殼采用圓柱形結構。根據本發明的一種對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，封裝外 殼用于裝納和保護精密的激光位移探測單元、主控單元和自適應優化模塊，采用圓柱形結 構，便于安裝和拆卸。本發明為一種實時測量兩個接觸表面相對滑動速度的方法和傳感器，用來檢測板 材沖壓成形過程中鋼板相對于模具間的滑動速度，與現有技術相比，主要有益效果如下1)采用非接觸式測量，最大限度地減小了對成形過程的干涉，更能體現實際成形過程。2)采用基于圖像處理基處理技術，結構簡單，精度較高。3)采用窄帶微小激光光源進行視場照明，光束的相干性好，擴散角很小，抗多徑效 應能力強。4)采用自適應優化模塊，能夠根據當前采集到的數據和當前計算得到的滑動速 度，通過對已有數據的分析，采用自適應算法優化當前的采集頻率或采集周期。5)傳感器具有體積小的優點，易于安裝在模具內部，而且板料不需要任何額外的處理。6)首次實現了沖壓過程中鋼板相對于模具滑動速度的實時檢測，通過實驗證明測 量數據精確、可靠，并填補了國內外非接觸式滑動速度傳感器領域的應用空白。


圖1為本發明的成像原理簡圖。圖2為信號處理器采用自相關圖像處理算法進行圖像處理的圖像處理原理圖。圖3為板材沖壓成形滑動速度測量方法示意圖。圖4為滑動速度檢測傳感器結構示意圖。圖5為本發明的滑動速度檢測傳感器電路圖。圖6為安裝滑動速度傳感器的拉深模具圖。圖7為安裝了滑動速度傳感器的拉深模具實物圖。圖8(a)，(b)分別為不同加載速率下理論曲線與試驗曲線的對比圖。圖8(a)沖壓 速度 V = 100mm/min,圖 8 (b)沖壓速度 V = 150mm/min。圖9為主控單元模塊圖。圖10為自適應模塊算法結構簡圖。圖中，1為存儲模塊，2為數據通訊模塊，3為定時器模塊，4為自適應優化模塊，5為 MCU(主控單元)，6為被測鋼板表面，7為光學組件，8為激光光源，9為圖像傳感器，10為數 字信號處理器，11為通訊模塊，12為激光位移探測單元，13為封裝外殼，14.為數據通道，15 為封裝外殼探測孔，16為電源，17為傳感器安裝孔。
具體實施例方式下面結合附圖，以實施例對本發明的技術方案做進一步詳細說明。實施例1 將滑動速度傳感器安裝于通用板材成形性試驗機進行拉深試驗檢測，對拉深過程 中凸緣部分的滑動速度進行檢測。首先，將檢測用傳感器裝入凹模中，將凹模安裝在試驗臺上，然后將檢測用傳感器 和控制盒相連，同時利用計算機串口連接控制盒和計算機(CPU).同時將控制盒接通電源 16，保證控制盒工作。拉深模具及檢測傳感器安裝孔如圖7所示，系統連接后如圖8和9所所述檢測用傳感器包括主控單元(MCU) 5、與主控單元(MCU)電信連接的激光位移 探測單元12，所述主控單元(MCU)包括電信連接的通訊模塊2、存儲模塊1、自適應優化模塊4及定時模塊，所述定時模塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由存 儲模塊進行儲存，自適應優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期。所述激光位移探測單元包括依次電信連接的光學組件7、激光光源8、圖像傳感器 9、數字信號處理器10和通訊模塊11。工作時，在鋼板被測表面形成區域被測圖像，但針對不同的材料需進行參數重新 標定。被測鋼板表面5由來自檢測孔的激光光源8提供的光源照明，形成區域被測圖像， 光學組件7負責對照明光的準直和被測表面的成像。經透鏡成像后由圖像傳感器9接收， 取得特征參量。在本實施例中，具體的參數是圖像移動的像素數，其反應了被測表面的滑動 速度和距離。使鋼板相對于模具表面進行移動，圖像傳感器9取得連續的變化圖案的圖像信 息，在本實施例，圖像信息為明暗對比圖像。將該圖像信息輸出至信號處理器10。通過數字信號處理器10將每張圖片與前一張或幾張進行特征參量的對比分析處 理，具體分析兩幅圖上同一個特征的差別，也即特征區域的移動量，判斷被測表面移動的方 向以及位移大小。取出前一幅圖像中中心部分區域的信息，與最新獲取的圖像進行自相關計算，得 到該區域在新圖像中所處的位置。S卩，取出前一幅圖像中中心部分區域的信息，與最新獲取的圖像進行自相關計算， 所述自相關圖像處理算法為已知技術。得到該區域在新圖像中所處的位置。基于定時、周 期性的采集位移數據，通過主控單元，輸出滑動速度數據。采用標定器對所獲得的滑動速度值數據進行標定，此處，速度標定是采用被標定 過的儀器(如電子單拉試驗機)進行比較獲得。即將采集得到的沒有單位的數字量和采用標定裝置得到的實際速度值對應起來， 得到有單位的、具有實際意義的滑動速度值與滑動速度數據的轉換函數，所述轉換函數采 用下述一次擬合函數進行擬合y = ax+b,其中，y為最終輸出，χ為測量值，a和b為待定參數。上式中，a, b采用最小二乘 法擬合可以得到，比如采集得到1000個數據點(包括1000個X值和1000個y值)，以X值 為橫坐標，y值為縱坐標可以畫出一條直線，對這條直線用y = ax+b進行線性回歸，就可以 得到a和b的值。一般a為0-1的范圍，b為整數，可以為正，也可以為負，常用范圍為-100-100。主控單元5通過自適應優化模塊4和相應的數字濾波算法，調整采集頻率。即速 度減慢時，降低采集頻率，反之提高采樣頻率。所述采集頻率的調整通過調整單片機采樣的 定時器的時長來實現；(在本實施例中，比如，將1毫秒改為5毫秒。)，提高采集精度控制 在需求范圍之內。MCU (主控單元)5主要由存儲模塊1、數據通訊模塊2、定時器模塊3以及自適應優 化模塊4組成，所述定時模塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由 存儲模塊進行儲存，自適應優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期。所述主控單元還包括依次電連接的單片機及外圍電路。
工作時，MCU5首先對激光位移探測單元12進行初始化，數據通訊模塊2在定時器 3的控制下通過數據通道14對激光位移探測單元12的數據進行周期性的采集和處理。結 果由數據存儲模塊1進行暫存，然后根據實際需要通過數據通訊模塊2進行輸出。在探測 過程中，MCU (主控單元)5還負責對激光位移探測單元12進行必要的控制。如圖10所示，自適應優化模塊4主要負責根據當前采集的數據信息，采用自適應 算法實時優化和改變采集頻率，以提高滑動速度的檢測精度。封裝外殼14主要提供對裝置 的結構和安裝支持，封裝外殼探測孔15用于光學組件7的光線的順利通過。電源16對整 個系統供電。自適應優化模塊僅為主控單元內單片機嵌入式軟件的組成部分，包含于主控單元 內。單片機為主控單元的核心控制元件，外圍電路及軟件程序均為自主開發設計。通過主控單元內的定時器進行定時，周期根據不同的材料和不同的移動速度進行 調整，在本實施例中，分別采用了從1毫秒到幾秒的周期。具體地，在本實施例中，分別采用 7 5、10、30、50、60毫秒和2-6秒的周期。主控單元的輸出數據為數字量，反映了滑動速度的大小。在本實施例中，輸出數據 分別反映了可以測量從每分鐘幾十毫米到每分鐘幾十米的滑動速度。具體地，在本實施例 中，輸出數據分別反映了可以測量從每分鐘30毫米到每分鐘50米的滑動速度。圖6為滑動速度檢測傳感器的電路圖，其中MCU采用的是C8051單片機，激光位移 探測單元采用的是ADNS-7530芯片。在特定加載速度下進行拉深成形試驗，在計算機中觀察檢測速度的變化，試驗完 成后，保存試驗數據。典型加載速度下的試驗曲線以及與理論值的對比如圖10所示。在測量點開始階段，由于試驗機處于初始加載階段，模具移動逐步與板材接觸，板 材未發生變形，速度數值基本為零。待模具與板材接觸后，板材流入模具，發生滑動并變形， 檢測到的速度值基本保持穩定。由圖10可知，在實際探測點，試驗點與理論計算較為接近。通過比較相同加載速 率下重復測量探測點處的速度值，測量誤差在5%以內，表明沖壓成形滑動速度傳感器的檢 測精度是可靠的。上述只是諸多類似試驗中的一個，通過可以改變傳感器的模具安裝位置，獲取其 他特征位置處的鋼板滑動速度；通過改變模具形狀，獲取不同形狀特征的零件滑動速度，從 而進行各種有針對性的模擬試驗。汽車板沖壓成形由于變形的復雜性及影響因素的多樣性，一直是薄板沖壓成形領 域的重點和難點。隨著汽車工業規模化效應的發展，汽車板沖壓成形的快速化生產和精益 化控制顯得日益重要。為了詳細掌握汽車板成形過程的各種狀態和參數，采集沖壓過程中板材相對于模 具的實時相對滑動速度，使板材摩擦試驗的滑動速度更貼近于實際速度，以及研究板材實 時變形情況具有重要的實際價值。而市場現有的速度或位移測量設備，尤其是非侵入式的 測量設備，難以適應板材沖壓生產中的試驗測量要求，因此開發新型的沖壓成形板材滑動 速度檢測裝置就變得十分必要。基于本發明的滑動速度檢測裝置，可以方便地安裝在沖壓模具內部，準確獲取板 料在成形過程中與模具的實時相對滑動速度，為研究板料的成形過程提供完備的試驗數據，滿足科研和實驗需求，為汽車板沖壓精益控制提供必要的試驗數據，對于提升用戶使用 技術研究能力具有重要的現實意義，并填補國內在該領域的研究空白。隨著與同行間的技 術交流和文獻介紹，將得到技術人員的廣泛接受和應用推廣。
權利要求
1.一種用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于，所述方法包括下 述步驟(1)由激光光源照明鋼板被測表面，在鋼板被測表面形成區域被測圖像，經透鏡成像 后由圖像傳感器接收，取得特征參量，即相鄰圖片反應平面的移動距離和速度的移動像素 數；(2)使鋼板相對于模具表面進行移動，圖像傳感器取得連續的變化圖案的圖像信息，將 該圖像信息輸出至信號處理器；(3)在上述信號處理器采用自相關圖像處理算法，將所述圖像信息的影像信號與存儲 的上一采樣周期得到的圖像影像進行對比分析并進行處理，即分析兩幅圖上同一個特征的 差別，也即特征區域的移動量，輸出位移信息，所述位移信息包括被測表面移動的方向和位 移大小；(4)基于定時、周期性的采集位移數據，通過主控單元，輸出滑動速度數據；(5)主控單元通過自適應優化模塊和相應的數字濾波算法，調整采集頻率即速度減 慢時，降低采集頻率，反之提高采樣頻率，所述采集頻率的調整通過調整單片機采樣的定時 器的時長來實現，提高采集精度控制在需求范圍之內；(6)采用標定器對所獲得的滑動速度值數據進行標定，即將采集得到的沒有單位的數 字量和采用標定裝置得到的實際速度值對應起來，得到有單位的、具有實際意義的滑動速 度值與滑動速度數據的轉換函數，所述轉換函數采用下述一次擬合函數進行擬合y = ax+b，其中，y為最終輸出值，X為測量值，a和b為待定參數，由最小二乘法擬合得到，a為 0-1的范圍，b為-100-100范圍的整數；(7)在待測模具上安裝滑動速度檢測傳感器，即可獲得板材和模具之間的實際相對滑 動速度。
2.如權利要求1所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于， 所述提高采集精度控制在需求范圍之內，系將測量得到的速度與真實速度之間的誤差控制 在5%以下。
3.如權利要求1所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于， 所述主控單元包括電信連接的通訊模塊、存儲模塊、自適應優化模塊及定時模塊，所述定時 模塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由存儲模塊進行儲存，自適 應優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期。
4.如權利要求1所述的用于檢測板材和模具相對滑動速度的檢測方法，其特征在于， 所述自適應優化模塊根據當前采集的數據信息，采用自適應算法實時優化和改變采集頻 率，以提高滑動速度的檢測精度。
5.一種用于對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，所述檢測用傳感器 包括主控單元(MCU)、與主控單元(MCU)電信連接的激光位移探測單元，其特征在于，所述主控單元(MCU)包括電信連接的通訊模塊、存儲模塊、自適應優化模塊及定時模 塊，所述定時模塊控制通訊模塊的信息采集，所述通訊模塊接收的測量結果由存儲模塊進 行儲存，自適應優化模塊根據該結果控制定時模塊的定時周期；所述激光位移探測單元包括包括依次電信連接的光學組件7，激光光源8，圖像傳感器·9，數字信號處理器10，通訊模塊11。
6.如權利要求5所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征 在于，所述激光位移探測單元采用微光學圖像處理技術獲取物體表面位移的大小和方向。
7.如權利要求5所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征 在于，所述主控單元負責對激光位移探測單元進行控制，并對采集到的數據進行處理，獲取 滑動速度的大小和方向，并進行輸出。
8.如權利要求5所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征 在于，自適應優化模塊用于解決滑動速度變化時采集頻率和周期的實時優化，以提高滑動 速度采集精度。
9.如權利要求5所述的對板材與模具相對滑動速度進行檢測的檢測用傳感器，其特征 在于，所述檢測用傳感器具有封裝外殼，所述封裝外殼采用圓柱形結構。
全文摘要
一種板材與模具相對滑動速度的檢測方法及傳感器，包括(1)在鋼板被測表面形成區域被測激光圖像；(2)圖像傳感器取得連續變化圖案的圖像信息，輸出至信號處理器；(3)采用自相關圖像處理算法，分析特征區域的移動量，輸出位移信息；(4)通過主控單元，輸出滑動速度數據；(5)主控單元調整采集頻率；(6)獲得滑動速度值與滑動速度數據的轉換函數y＝ax+b；(7)獲得實際相對滑動速度。根據本發明所述檢測方法及傳感器，可以在板材沖壓成形過程中實時、非接觸地測量滑動速度的方法及傳感器。本發明的方法可操作性強，配合相應的試驗裝置，可用于測定板料沖壓變形時鋼板相對于模具的滑動速度大小，以滿足科研和試驗的需要。
文檔編號G01P3/36GK102128947SQ20101002277
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月14日 優先權日2010年1月14日
發明者刁可山, 蔣浩民, 陳新平 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司